Su, basınç altında membrandan akar, ancak tuzlar ve organik maddeler geçemez ve membran yüzeyinde tutulur. Membran yüzeyindeki çözünen "birikimi", toplu su akışından çok daha yüksek bir konsantrasyona sahiptir; bu konsantrasyon kutuplaşmasıdır. Bu sınır tabakasının oluşumunun sistem üzerinde kapsamlı bir etkisi vardır.
Ters ozmoz sistemlerinde membran yüzeyindeki çözünen madde konsantrasyonunun toplu su akışındaki konsantrasyona oranı, konsantrasyon polarizasyon faktörü olarak tanımlanır. Mühendislik uygulamalarında genellikle 1.2'nin altında kontrol edilir. Ancak besleme kanalı tıkandığında veya akış hızı düştüğünde kolaylıkla 1,4'e, hatta 1,5'e kadar yükselebilir. Bu, membran yüzeyindeki tuz konsantrasyonunun, ölçtüğümüz konsantrenin tuz konsantrasyonundan %40-%50 daha yüksek olduğu anlamına gelir.
Örneğin, tipik acı sularda, toplu konsantre tuz konsantrasyonu 5000 mg/L olduğunda, membran yüzeyindeki lokal konsantrasyon 7000-7500 mg/L'ye ulaşabilir. Ozmotik basınç tuzlulukla doğru orantılıdır; tuzluluktaki her 1000 mg/L artış için ozmotik basınç yaklaşık 0,07 MPa (0,7 bar) artar.
Yüzey konsantrasyonundaki 2500 mg/L'lik bir artış, ozmotik basınçta yaklaşık 0,18 MPa (1,8 bar) ek bir artışla sonuçlanır. 1,0-1,2 MPa'da çalışan acı su membran sistemleri için bu, net tahrik basıncının %15-18'inin konsantrasyon polarizasyonu tarafından absorbe edildiği anlamına gelir.
Süzüntü akış hızının ve tuzdan arındırma oranının ölçülmesi:
Membran üreticisi teknik kılavuzlarına göre (örnek olarak DuPont FilmTec serisini kullanarak), besleme akış hızının %15 oranında azalması ve 1,2'den 1,4'e artmasıyla, sabit basınç modunda sistem süzüntü akış hızı %12-%18 azalacaktır. Bunun nedeni membranın tıkanması değil, etkin itici gücün dengelenmesidir.
Desalinasyon oranına bakıldığında, her 0,1 artış için NaCl geçirgenliği yaklaşık %20-%30 oranında artmaktadır. Normal bir acı su membranının tuzdan arındırma oranı %99,5 olduğunda, süzüntü iletkenliği yaklaşık 10-15 µS/cm olur.
Konsantrasyon polarizasyonu şiddetli olduğunda, nüfuz iletkenliği 30-50 µS/cm'ye yükselebilir. Karışık yataklı tek aşamalı bir ters ozmoz sistemi için bu, karışık yataklı rejenerasyon döngüsünün 72 saatten 24 saatin altına sıkıştırılması, asit ve alkali tüketiminin iki katına çıkması anlamına gelebilir.
Ölçek Riski:
Kalsiyum karbonatın Langeril Doygunluk İndeksi (LSI) tipik olarak 1,8'in altında olacak şekilde tasarlanmıştır (kireç önleyicilerle birlikte). Konsantrasyon polarizasyonu, membran yüzeyindeki konsantrasyonu artırarak, gerçek LSI değerinin toplu su akışından 0,5-1,0 daha yüksek olmasını sağlar.
Bir atık su yeniden kullanım projesinde toplu konsantre LSI 1,6 idi. Tasarıma göre kireç önleyicilerin eklenmesi güvenli olmalıydı, ancak çalışma sırasında terminal membran elemanındaki basınç farkı üç ay içinde 10 psi'den 25 psi'ye çıktı. Diseksiyon, sınır tabakası konsantrasyonu birikiminin doğrudan bir sonucu olarak, 2,4-2,7 kadar yüksek ölçülen yüzey LSI'sine sahip, membran yüzeyinde kalsiyum karbonat kristallerini ortaya çıkardı.
Sülfat ölçeği daha da hassastır. Kalsiyum sülfatın çözünürlük ürünü (Ksp) yaklaşık 2,4 × 10⁻⁵ (25 derece)'dir. Konsantrasyon polarizasyon faktörü 1,4 olduğunda, yüzey iyon ürünü Ksp'yi kolaylıkla 1,2-1,5 kat aşabilir ve bu da kristal oluşumuna yol açar. Kristaller çöktüğünde, kimyasal temizlik genellikle 6-8 saat veya daha fazla sirkülasyon gerektirir ve tek bir temizleme, tuzdan arındırma oranını kalıcı olarak %0,5-%1 oranında azaltabilir.
Çalışma parametreleri için kontrol standartları:
Membran elemanı tasarım kılavuzlarında son konsantre akış hızı temel kontrol göstergesidir. 8 inçlik membran elemanları için birim başına konsantre akış hızı tipik olarak 3,6 m³/saatten az değildir.
Akış hızı 3,0 m³/saat'in altına düştüğünde, membran yüzeyi kesme kuvveti yaklaşık 250-300 s⁻¹'den yaklaşık 150 s⁻¹'ye düşer, bu da sınır tabakası kalınlığında önemli bir artışa neden olur.
Gerçek ölçüm verileri, bu noktada değerin normal 1,15-1,2'den 1,35'in üzerine çıkabileceğini ve sistem tuzdan arındırma oranının 1-2 hafta içinde gözle görülür bir düşüş göstereceğini gösteriyor.
İyileşme Hızı ve Konsantrasyon Polarizasyonu:
Tek-aşamalı bir ters ozmoz sistemi için, geri kazanım oranının %50'den %75'e çıkarılması, son membran elemanının değerini yaklaşık 0,1-0,15 oranında artırır. Bu nedenle sistemler genellikle iki hatta üç aşamalı olarak tasarlanır ve her aşamanın geri kazanım oranı %40-%50 arasında kontrol edilir. Genel iyileşme oranı, tek bir aşamanın iyileşme oranını sıkıştırmak yerine daha fazla aşama eklenerek artırılır.
Pek çok operasyonel kaza, "daha fazla su üretmek" düşüncesiyle geri kazanım oranının %75'ten %80'e çıkarılması ve sonuçta nihai değerin 1,5'u aşması nedeniyle bir ay içinde ölçeklenen alarmlara yol açması nedeniyle meydana geliyor.